柔性路面性能分析

1、柔性路面性能分析 柔性路面性能模型的分析評(píng)述 摘要 公路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的維護(hù)和修繕占據(jù)國(guó)家預(yù)算的主要開(kāi)支。為此，各有關(guān)機(jī)構(gòu)認(rèn)為開(kāi)發(fā)一個(gè)智能的、有效的路面使用性能模型是十分必要的，此系統(tǒng)可優(yōu)先考慮路面的維修和養(yǎng)護(hù)工作。還可用于預(yù)測(cè)路面的剩余使用壽命和修繕需求，幫助制定合理的路面維修計(jì)劃，降低公路局和道路使用者的各項(xiàng)成本。柔性路面性能或衰敗模型主要涉及車輛和環(huán)境之間復(fù)雜的相互作用，以及道路結(jié)構(gòu)和路面情況。性能模型則主要涉及路面損害狀況，研究人員針對(duì)包括路面開(kāi)裂、松散、破洞和粗糙在內(nèi)的多個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了深入分析。但這些模型大多只適用于某些特定條件下的交通和環(huán)境狀況，因而當(dāng)下的迫切需求是，提出一個(gè)可以完美適用于

2、不同環(huán)境的模型。本文給出了關(guān)于各種路面性能模型的詳細(xì)綜述，從路面材料、環(huán)境因素、交通類型和交通流量等方面進(jìn)行考量，并指出這些模型中現(xiàn)有理論的局限和不足。 1、前言 路面是一種用復(fù)雜方式應(yīng)對(duì)外部交通荷載和環(huán)境條件的精細(xì)物理結(jié)構(gòu)，其中包含瀝青混合料、土壤團(tuán)塊、基層土壤等異質(zhì)成分，而且根據(jù)交通和環(huán)境特點(diǎn)的不同，在不同的地區(qū)會(huì)呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)。有關(guān)路面的設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)、修繕等工作的一個(gè)關(guān)鍵步驟就是評(píng)估，如評(píng)估和測(cè)量路面破壞程度，即開(kāi)裂、車轍和結(jié)構(gòu)特性的情況，及撓度和應(yīng)變對(duì)未來(lái)的性能影響。條件預(yù)測(cè)是根據(jù)性能模型產(chǎn)生的，其數(shù)學(xué)表達(dá)式將環(huán)境數(shù)據(jù)與一組解釋變量，如材料性能、路面設(shè)計(jì)特點(diǎn)、交通荷載、環(huán)境因素和

3、歷史維修記錄等聯(lián)系起來(lái)。 為了測(cè)量和預(yù)測(cè)任何路面的性能，我們應(yīng)采取一種可重復(fù)的、行之有效的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)狀態(tài)評(píng)級(jí)系統(tǒng)（Shahin等人，1984年）。AASHTO（1993年）定義了路面使用性能為：一段時(shí)間內(nèi)路面以良好狀態(tài)服務(wù)大眾交通的能力；它還進(jìn)一步定義了路面使用可靠性為：路面服務(wù)人為設(shè)定交通的能力。 許多模型已被各種研究人員提出，用于模擬路面性能。但在討論這些模型的細(xì)節(jié)之前，我們要將可能影響路面性能的所有因素分類列出。 交通荷載的相關(guān)因素包括：交通流量、車軸負(fù)載，單軸荷載數(shù)（ESAL）、輪胎壓力、車軸類型和它們的配置類型，加載時(shí)間和加載機(jī)構(gòu)等。 施工、結(jié)構(gòu)組成和材料性能的相關(guān)因素包括：用于路面施

4、工的主要工程特性，如土路基層的強(qiáng)度和承載力，土壤分類和土壤團(tuán)聚體、細(xì)砂石物理性質(zhì)、細(xì)砂石配比性質(zhì)、土層的彈性和回彈模量，以及泊松比等。 環(huán)境相關(guān)因素包括：土壤水分、土壤溫度、土壤分層及周圍環(huán)境、凍融循環(huán)、濕度和降水、地下水的運(yùn)動(dòng)、毛細(xì)水或地表水等。 2、路面性能模型 路面使用性能模型是一個(gè)關(guān)于外在的“時(shí)間因素”（施加載荷的時(shí)間和數(shù)量），內(nèi)在因素（結(jié)構(gòu)響應(yīng)、材料性能、排水等）和性能指標(biāo)的方程或關(guān)系。根據(jù)這些屬性的包容性，我們將性能模型分為三組，分別是： （1）表面特征基礎(chǔ)的模型：這些模型主要包括粗糙、車轍、開(kāi)裂、坑洞等信息，主要是由上面列出的這些交通因素產(chǎn)生的。除此以外，路面的使用年限也在這種模

5、型的考慮之中。 （2）基于環(huán)境因素的模型：此模型包含各種環(huán)境因素對(duì)路面使用性能的影響作用。 （3）路面性能評(píng)級(jí)模型：這些模型，它允許使用某些任意的或加權(quán)值來(lái)定義路面的性能，這些數(shù)值是限定在一定范圍內(nèi)的不同數(shù)值。研究者們提出了各種指標(biāo)，如PSI（性能），PCI（路面狀況指數(shù)），PCR（路面狀況等級(jí)）等。這些指標(biāo)都是基于路面的各種特性，如之前提到的兩類模型和基于這些特點(diǎn)的綜合指指標(biāo)（Gupta et al，2012年）。 3、基于模型的表面特性 表面特征從粗糙度、車轍、開(kāi)裂等幾個(gè)方面進(jìn)行定義，具體的分組形式討論如下。 3.1粗糙度模型 用于評(píng)估路面使用性能的簡(jiǎn)單的參數(shù)是公路表面粗糙度，這主要反映的

6、是用戶的看法。粗糙的路面會(huì)直接影響到行駛質(zhì)量。任何遞增的表面損壞都睡引起表面粗糙度的增加。對(duì)于鋪設(shè)地很薄的瀝青公路，其路面可能早在車轍達(dá)到損害臨界度之前就破碎了。 粗糙度通常用國(guó)際平整度指數(shù)（IRI）表示，它代表在米/公里這個(gè)單位下，一個(gè)車輪的垂直運(yùn)動(dòng)量的累積?！八姆种弧逼嚹Ｐ停⊿ayers et al，1986年）一般是用來(lái)分析每個(gè)車輪經(jīng)IRI計(jì)算后的剖面數(shù)據(jù)。 Al-Suleiman等人（1989年）評(píng)估了路面使用年限和交通荷載對(duì)路面日常維護(hù)效果的影響。表面粗糙度的變化被認(rèn)為是作為衡量路面惡化的重要指標(biāo)。回歸模型來(lái)研究日常維護(hù)支出水平、路面使用年限和表面粗糙度的變化對(duì)交通荷載的影響。

7、HDM-4（kerali，2000年）路面惡化模型包括車輛、環(huán)境、路面結(jié)構(gòu)和表面之間復(fù)雜的相互作用。路面惡化模型可以預(yù)測(cè)，已經(jīng)顯現(xiàn)出各種破損情況下的路面隨時(shí)間推移的惡化情況。HDM-4粗糙度模型包含車轍深度組件、交通、路面強(qiáng)度和使用年限等。 美國(guó)印第安納州運(yùn)輸部（INDOT）（Gulan et al，2001年）用最小數(shù)量的路面類型解釋變量（獨(dú)立的）為未來(lái)的修復(fù)和更換計(jì)劃提供了簡(jiǎn)單的新型路面使用性能預(yù)測(cè)模型。 這項(xiàng)研究并沒(méi)有產(chǎn)生統(tǒng)計(jì)方面功能強(qiáng)大的路面性能預(yù)測(cè)模型，這可能是由于試驗(yàn)段的施工和地基不均勻造成的。 NCHRP 1-37A項(xiàng)目（NCHRP，2004年）說(shuō)明永久變形、熱分裂和疲勞開(kāi)裂是影

8、響粗糙度的最主要的破壞因素。當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件和使用的基層材料事實(shí)上增加了這些破壞因素。基于不同基層材料，即顆粒、瀝青、水泥與粒料的模型已經(jīng)建立好了?；鶎勇访娴拇植诙饶Ｐ腿缦拢?prozzi和madanat（2003年）分別開(kāi)發(fā)了基于IRI和車轍的模型。IRI模型主要考慮混合設(shè)計(jì)因素、層的厚度、交通荷載和材料特性。 3.2車轍模型 永久變形或車轍是一個(gè)中等或高溫條件下的載荷累積造成的載荷相關(guān)破壞，此時(shí)的瀝青混凝土混合物具有最低的剛度。這個(gè)過(guò)程可分為3個(gè)階段。 最初的車轍情況出現(xiàn)在早期的服務(wù)生涯中，它主要是由混合物的致密化（交通壓力引起的壓縮效果）和塑性變形率的下降引起的。在第二階段，車轍量保持在一

9、個(gè)穩(wěn)定的增率下較小增長(zhǎng)，其混合物主要產(chǎn)生塑性剪切變形。第三階段時(shí)會(huì)發(fā)生剪切破壞和混合流破裂。第三階段通常不出現(xiàn)在目前正在使用的路面中，這主要是由于一些預(yù)防性維護(hù)性工作和康復(fù)工作。永久變形是使用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行預(yù)測(cè)的，第一和第二階段提供了相關(guān)路面應(yīng)變值數(shù)值。這些模型的具體信息會(huì)在表1中給出。 其中，a，a1，b，b1，c，d，f，m，s，0，和=正回歸（材料）常數(shù)；m =永久變形參數(shù)在永久應(yīng)變和彈性應(yīng)變之間的恒定比例（即在N= 1時(shí)的永久應(yīng)變）；=1 B = 永久變形參數(shù)，表示在永久變形下作為負(fù)載的重復(fù)數(shù)增加的下降率。通常，值大于0。 2.02755pC =T / 5615.391是溫度的函數(shù)（F）

10、,A = 1/e是一個(gè)小于1的常數(shù)。 總的永久變形量是來(lái)自所有層的車轍深度的總和： RDtotal = RDAC+RDbase +RDsubgrade （3） 也可以寫成： （4） 其中，N=子層的數(shù)量 （P）i=子層i中的縱向塑性應(yīng)變層厚度 hi =子層i的厚度 DAS和Pandey（1999年）開(kāi)發(fā)了一種，從印度不同地區(qū)收集瀝青路面的性能數(shù)據(jù)，來(lái)測(cè)量破損街道路面張力參數(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法。 Archilla和Madanat（2001年）開(kāi)發(fā)了一種用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出的經(jīng)驗(yàn)車轍連續(xù)模型。這個(gè)模型最顯著的規(guī)格特點(diǎn)是，它使用了傳統(tǒng)的（預(yù)定）軸重和結(jié)構(gòu)數(shù)等參數(shù)，并且它包含了融化指數(shù)項(xiàng)的環(huán)境因素。估計(jì)結(jié)果表明

11、，模型很好地模擬了真實(shí)的路面行為，加入環(huán)境變量是為了避免其他重要參數(shù)方面的偏差。我們同時(shí)發(fā)現(xiàn)，一些由兩輪車裂模型之間的參數(shù)估計(jì)導(dǎo)致的重要差異，會(huì)引起的非線性參數(shù)之間的相互作用。 Fwa等人（2004年）利用以C關(guān)系為基礎(chǔ)的方法建立了車轍預(yù)估模型。該模型采用了被廣泛使用的，有關(guān)力量關(guān)系的的表達(dá)式，作為累積損傷預(yù)警的基本表達(dá)式。該基本表達(dá)式通過(guò)合并下列影響得到改進(jìn)方程，具體操作為：（1）運(yùn)用C之間的關(guān)系，通過(guò)應(yīng)力比計(jì)算荷載的作用；（2）溫度的影響；（3）加載速度的影響。 3.3討論 路面之所以會(huì)產(chǎn)生破損問(wèn)題，最重要的因素是路面的使用年限，和年平均日交通較量與交通的類型。在路面得到定期保養(yǎng)的條件下，

12、粗糙度的持續(xù)降低應(yīng)該被看作路面使用性能模型的一個(gè)因素，同時(shí)，它也可以被納入如修補(bǔ)或密封路面之類的活動(dòng)引起的維修經(jīng)費(fèi)的預(yù)算范圍。車轍事實(shí)上是一種路面的永久變形。研究人員提出了各種各樣的車轍模型，如半對(duì)數(shù)模型、指數(shù)模型、冪律模型等，這些模型都認(rèn)為重復(fù)出現(xiàn)的過(guò)大荷載是發(fā)生車轍現(xiàn)象的主要原因。在實(shí)證文獻(xiàn)中最常見(jiàn)的相關(guān)發(fā)現(xiàn)是車轍深度的凹陷形狀與重復(fù)的荷載累積數(shù)量之間的關(guān)系。這種趨勢(shì)已經(jīng)和Maree等人（1982年）發(fā)現(xiàn)重型車輛模擬器的實(shí)驗(yàn)，以及Harvey，Popescu（2000年）實(shí)施的其他實(shí)驗(yàn)，如AASHO道路試驗(yàn)（HRB，1962年）中發(fā)現(xiàn)的規(guī)律相吻合。此外，大多數(shù)模型中列舉了這樣的凹形槽（Li

13、ster，1981年；Paterson，1987年）。一般認(rèn)為，路面的表層性質(zhì)是造成這些路面破損的主要原因。而其他因素主要包括：路面地基的性質(zhì)和厚度，路基工程和基本層。我們已經(jīng)很好地完成了針對(duì)性能預(yù)測(cè)模型的研究，但是在其他一些領(lǐng)域的探索仍有不足。許多粗糙和車轍模型的發(fā)展僅限于線性指標(biāo)時(shí)的情況，沒(méi)有考慮其他的環(huán)境因素在其中。但是現(xiàn)今，許多研究人員像Paterson（1987年），HDM-4（kerali，2000年），和Prozzi和Madanat（2004年）等提出，應(yīng)該從正在使用的路面及其環(huán)境因素的角度考慮，建立非線性模型。當(dāng)需要考慮模型之間的相關(guān)度時(shí)，統(tǒng)計(jì)學(xué)方法是唯一有效的手段，如模型估計(jì)

14、等。 4、基于環(huán)境因素的模型 本文包含關(guān)于不同性質(zhì)的路面中環(huán)境因素的影響的許多研究。在AASHTO方法中，我們考慮到環(huán)境因素，已經(jīng)做了很多修改。在遇到柔性路面時(shí)，以下三大環(huán)境因素產(chǎn)生的影響是最令我們感興趣的： （1）溫度變化對(duì)瀝青混凝土性能的影響。瀝青混凝土混合料的動(dòng)態(tài)模量對(duì)溫度變化是很敏感的。在瀝青混凝土層所做的溫度分布測(cè)試，確定了混合物在整個(gè)土層內(nèi)的剛度。溫度分布也可作為熱裂紋預(yù)測(cè)模型的輸入量。 （2）水分變化對(duì)路基填料和散裝填料的影響。散裝填料的彈性模量輸入被定義為最佳的密度和水分含量。校正系數(shù)被定義為，在預(yù)測(cè)的水分含量基礎(chǔ)上調(diào)整的彈性模量。 （3）路基填料和散裝填料的凍結(jié)和解凍。 4.

15、1討論 環(huán)境模型包括環(huán)境變量與不同結(jié)構(gòu)性能之間的關(guān)系。上文所討論的模型中，最重要的一個(gè)發(fā)現(xiàn)是，環(huán)境條件的變化是導(dǎo)致路面破損的最主要原因，而這取決于路基模量和ESALs。另一個(gè)值得注意的點(diǎn)是，它們都遵循規(guī)律，呈現(xiàn)出周期性波形。所有模型都是在不同的環(huán)境因素下采取的具有針對(duì)性的方案，而且每個(gè)地方的校準(zhǔn)系數(shù)都在確定模型的精確度方面起到了重要的作用。這方面的大部分工作已經(jīng)完成了，不過(guò)關(guān)于路面附近的地面條件所產(chǎn)生的影響，即水分滲入的現(xiàn)象所產(chǎn)生的效果還沒(méi)有得到很好的確定。因此，關(guān)于這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行更多的研究是很有必要的，應(yīng)該進(jìn)行包括溫度、太陽(yáng)輻射測(cè)量、水分運(yùn)動(dòng)和凍結(jié)在內(nèi)的許多分析，由路面不同土層導(dǎo)致的融料現(xiàn)象和

16、由不同溫度條件下的真實(shí)路面的季節(jié)性因素也應(yīng)該被充分考慮。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，不同的材料類型對(duì)氣候變化的響應(yīng)不同。無(wú)論是從單一的熱變化還是熱/冷的溫度重復(fù)周期來(lái)說(shuō)，溫度是熱裂紋產(chǎn)生的另一原因。建議使用一個(gè)有效的路基回彈模量，來(lái)代表季節(jié)性變化產(chǎn)生的影響，特別是針對(duì)那些對(duì)濕度敏感的細(xì)粒土或顯著位置上的冰融循環(huán)。如果使用季節(jié)模型的話，有效彈性模量的等效模量，會(huì)對(duì)路面產(chǎn)生同樣效果的破壞。 5、路面使用性能評(píng)價(jià)模型 一段時(shí)間以來(lái)，研究人員們已經(jīng)提出了各種不同的路面使用性能評(píng)價(jià)模型。路面使用服務(wù)性能的概念是在AASHO道路試驗(yàn)中提出的一個(gè)更好的辦法。包含路面設(shè)計(jì)的因素的路面服務(wù)性能是AASHO設(shè)計(jì)方法的一個(gè)顯著特點(diǎn)。

17、和設(shè)計(jì)輸入產(chǎn)生的性能指標(biāo)相配合的回歸模型已經(jīng)被提出了。 6、結(jié)論 本文研究了各種柔性路面性能模型在不同路況上的柔性路面性能模型。以下是我們從文獻(xiàn)的回顧中得出的結(jié)論： 1、本文提出了各種數(shù)量和類型的性能模型，旨在預(yù)測(cè)路面的性能。影響路面性能的關(guān)鍵變量，包括零件結(jié)構(gòu)、材料性能、設(shè)計(jì)方法、環(huán)境因素、維修作用等；并對(duì)這些因素對(duì)路面破壞的影響情況進(jìn)行了深入的研究和定量的評(píng)估。 2、這些模型包括各種變量，定義了結(jié)構(gòu)、交通、環(huán)境和其他道路使用條件等。路面的維修同樣影響到不同的模型的預(yù)測(cè)能力，所以這也應(yīng)該被視為一個(gè)性能模型的變量。 3、到目前為止，任何關(guān)于路面的破壞參數(shù)，路面的使用年限和路上交通情況對(duì)于預(yù)測(cè)起到了最重要的作用。這些因素對(duì)路面破壞參數(shù)成正比。 4、在車轍預(yù)估模型中，土層的結(jié)構(gòu)數(shù)量和重復(fù)荷載是導(dǎo)